JPH0432728A - コヒーレント光選択分光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はコヒーレント光選択分光装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来より、物質の分析手段として用いられている光の吸
収スペクトルを測定する分光光度計や螢光スペクトルを
測定する螢光光度計の基本構成部に使われており、発光
スペクトル等の測定にも用いられている分光器は広く知
られている。

このような従来の分光測定装置を第１１図、第１２図に
より説明する。

第１１図において、発光体ｌからの光をスリット２によ
り線光源と見做せるようにして抽出し、スリット２の位
置を前側焦点とするレンズ系Ｌ１により線光源からの光
を平行光の束とし、レンズ系Ｌｌの後側焦点位置に置い
たスリット４およびスリット４を焦点面とするレンズＬ
２でスリットの各点光源から放射された光の直進成分（
平面波）の光束の束のみを抽出し、回折格子５に入射さ
せる。そして、回折格子５によって生ずる干渉光をレン
ズＬ３で検出器７に結像して検出すると、平面波に含ま
れる各波長成分が回折格子の出射側において角度分散し
、分光測定することかできる。

第１２図は、カセグレイン光学系を使用して線光源と見
なせるスリット２からの光を集光して光量をかせぐよう
にしたものであり、他の構成は第１１図の場合と同じで
ある。

ここで、第１１図、第１２図は透過型の回折格子の例を
示しであるか、反射型の回折格子の場合、回折格子５を
反射型とし、レンズＬ３と検出器７をレンズＬ２側に配
置して分光測光する。また、レズＬｌ、Ｌ２．Ｌ３は反
射鏡も使用されている。

［発明か解決しようとする課題〕 ところで、従来の分光測定装置は、発光体１からの光を
スリットで抽出し、スリットを透過した光が点光源の集
まりの線光源と見なせる状態にして行っていた。これは
、光源が大きさを持つと光源の異なる位置から出射され
る異なる波長成分を同一波長成分として分光器で検出し
てしまう可能性があり、正確に波長分散することかでき
ないという考え方に基づくものである。そのため、従来
理想的分解能を求めるどきは第１１図に示すように、無
限小の開口をもつスリット２て点光源か線状に並んだも
のとし、レンズ系Ｌ１、スリブ１〜４、レンズＬ２で直
進成分（光軸方向に進む平面波）の光束の束のみを得る
ようにしていた。しかし、このような従来の方式では光
源を無限小幅として扱うために光量が非常に少なくなっ
てしまうという問題があり、スリット幅を拡げて分解能
を犠牲にして光量をかせぐか、スリット幅を一定にした
場合は、いかに入射立体角を大きくするかか課題であっ
た。そのため、第１１図では大口径のレンズを用いて受
光角を大きくし、また、第１２図においてはカセグレイ
ン受光系を用いて入射立体角を大きくして光量をかせぐ
ようにしていた。このような従来の入射立体角を大きく
して光量をかせぐ方法は、分光する発光体が点光源とみ
なせるようなものや、入射スリットとほぼ同じ線光源の
場合には適している。

しかしながら、発光体が面発光のように大きな場合、分
光に利用されるのは入射スリットと同じ部分だけで、そ
の他は捨てていることになる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、発光ス
ペクトルが全域でほぼ同じとみなせる面発光に適したも
ので、分光のための入射光量を飛躍的に増加させ、単位
面積当たりのエネルギを高密度化することができるコヒ
ーレント光選択分光装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、試料からの光を光学系に通してフラウンホー
ファ回折像を形成し、該フラウンホーファ回折像の０次
成分の一部または全部を、あるいは０次成分と同じ幅の
スリット状成分の一部または全部を抽出し、分光測定す
ることを特徴としている。

〔作用〕 本発明は面発光体のような試料からの光のフラウンホー
ファ回折像の０次成分を抽出すれば光軸に平行な直進成
分を得ることができることを利用し、レンズ系により生
じたフラウンホーファ回折像のＯ次成分を、あるいは０
次成分と同じ幅のスリット状成分の一部または全部を所
定の開口径を有するピンホールあるいはスリットで抽出
するようにしたものであり、従来のように対象を点光源
や線光源とすることかないので光■を飛躍的に増大させ
て分光することができる。そして、面発光体からの光を
大口径レンズで集光し、これを小径の光束に変換するこ
とにより一層単位面積当たりのエネルギを大きくして分
光することか可能となる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

先ず、第１図〜第３図により本発明の分光方法について
説明する。

第２図に示すようにレンズＬＯにコヒーレント光を入射
させるとその焦点距離ｆの位置ではフラウンホーファ回
折像が観測される。これはエアリ−ディスクと呼ばれる
ものであり、円形レンズを用いれば円形状の暗輪か形成
され、レンズ口径に対応した径を有する第１暗輪内の領
域、すなわち０次成分はもっとも明るい領域となり、こ
の第１暗輪の大きさの開口に平面波を入射させたことと
等しい波面を形成する。いま、円形レンズの開口径をＤ
ｒ、焦点距離をｆ、第１暗輪の直径をＤ、波長をλとす
ると、 Ｄｒ て与えられる。

このことは、第３図（Ａ）に示すようにレンズＬＯの焦
点位置に開口径りのピンホール板Ｐを配置し、レンズＬ
Ｏの光軸方向のコヒーレント光が入射したとすると、ピ
ンホール板Ｐの開口径から発散球面波Ｑ２が放射され、
レンズＬｌで平面波Ｓ２となる。このことは、第３図（
Ｂ）のようにピンホールＰ側から平面波ＳＯか入射した
ときに、ピンホールの開口を通った光は回折により球面
波成分を含んだ波Ｑ２のように伝播し、レンズＩ７１て
平面波Ｓ２に変換されることを意味している。

したかって、レンズＬ１の開口径、焦点距離、波長によ
り決まる（１）式のフラウンホーファ回折像の第１暗輪
の大きさ以下のピンホールを配置し、レンズＬＯて決ま
るフラウンホーファ回折像の第１暗輪のピンホール９の
大きさに合い、口径がレンズＬ　ｌより大きいレンズを
用いることにより、発光面より放射される光束の中の平
面波成分Ｓｌを損失することなく、しかもレンズＬ１と
レンズＬ２の面積比分たけエネルギー密度を高く取り出
すことができる。さらに、ピンホールの代わりにピンホ
ールの大きさと同じ幅のスリットを回折格子溝方向に配
置することにより、スリットの高さ方向のエネルギーを
従来のようにかせげるため、入射光量を飛躍的に増加さ
せて分光測定することか可能である。

第１図はこのような考え方に基づく本発明のコヒーレン
ト光選択分光方法を説明するだめの図である。図中、Ｓ
は面発光体、ＬＯはレンズ、Ｐはピンポール板、Ｌｌ、
Ｌ２はレンズ、Ｇは透過型回折格子、Ｄは検出器である
。

レンズＬ　Ｏは受光口径の大きな凸レンズであり、ぞの
前方の任意位置に分光測定対象試料、例えば生物試料等
の面発光体Ｓを配置する。スリブｌ−板ＰはレンズＬＯ
のほぼ焦点位置に配置され、スリン］・幅は前述の（１
）式を満足するものであり、レンズＬＯによるフラウン
ホーファ回折像の０次成分（直進成分）のスリット状に
並んだ光束のみを透過させることかできる大きさ（回折
限界）である。

なお、スリット幅は０次回折像の一部を透過させること
かできる大きさでもよい。Ｌ・ンズＬ１はピンホール位
置を焦点面とする口径の小さいレンズであり、レンズ■
、０とＦ値が同じ場合、レンズＬＯによりピンホール位
置に形成された０次成分を全て取り出して平面波を得る
ためのものである。

レンズＬｌの後方には透過型回折格子Ｇを配置し、回折
光をレンズＬ２で検出器り上に結像させるようにしてい
る。

このような構成において、面発光体Ｓからの光を受光］
」径の大きいレンズＬＯて集光し、ピンホール位置にフ
ラウンホーファ回折像を形成すると、ビンポール径は（
１ｊ式を満足するようになっているのでフラウンホーフ
ァ回折像の０次回折像のみが透過し、レンズＬｌにより
平行光束に変換されて透過型回折格子Ｇに入射する。回
折格子Ｇでは波長に応じて出射角度が異なるので、この
回折光をレンズＬ２で検出器り上に結像すれば分光測定
することかできる。

二のように本発明においては、面光源からの直進成分を
受光口径の大きいレンズＬＯで集光し、回折限界までピ
ンホール径を拡げて直進成分を抽出するようにしている
ので、従来のように点光源や線光源からの光束を広角度
で検出する場合に比して大幅に光量を増やすことが可能
となる。なお、レンズＬＯの口径をＬｌの口径に比して
大きくし、Ｆ値を同じにしておくことにより両レンズの
面積比だけ回折格子Ｇへ入射する直進成分の単位面積当
たりのエネルギを大きくすることができる。

第４図はカセグレイン光学系を用いた本発明の他の実施
例を示す図である。

本実施例においては、図示しない面発光体からの光を開
口１１を通してカセグレイン光学系１０に取り込み、凸
面鏡１３、凹面鏡１２によりピンホール板Ｐの位置にフ
ラウンホーファ回折像を形成し、ピンホールにより直進
成分のみを抽出し、さらに凹面鏡１６、凸面鏡１７によ
り光束径を小さくして開口１５より平面波として取り出
し、図示しない回折格子へ入射させるようにしている。

本実施例においても開口１１で取り込んだ光束を開口１
５の径に変換することによりエネルギ密度を上げること
ができる。

第５図はカメラレンズを使用した他の実施例を示す図で
ある。

本実施例においては、大口径でＦ値の小さなカメラレン
ズ２０により図示しない面発光体からの光を取込み、カ
メラレンズによるフラウンホーファ回折像の０次回折光
をピンホールにより抽出し、０次回折光を対物レンズ２
１て平面波に変換し、この平面波を反射型回折格子２２
に入射させ、回折像を結像レンズ２３で検出器２４上に
結像させて分光測定を行っている。

また、第６図に示すように回折格子を透過型回折格子２
５として分光するようにしてもよい。

第７図はマイケルソン干渉計を用いて分光するようにし
た他の実施例を示す図である。

本実施例においては、ピンホールで抽出した直進成分を
レンズＬ１で平面波に変換してマイケルソン干渉計３０
に入射させる。干渉計への入射光はハーフミラ−３３で
二分され、一方は固定ミラー３１で反射され、他方は可
動ミラー３２で反射され、ハーフミラ−で合成されて検
出器３４で検出される。可動ミラー３２は連続的に動か
され、固定ミラー３１と可動ミラー３２て反射される光
の光路差が０〜１波長の間で変化するのに応して検出器
で検出される強度は周期的に変化し、この信号をフーリ
エ変換することにより各波長成分を求めることができる
。

第８図はマイケルソン干渉計を用いた他の実施例を示す
図である。

本実施例においては、マイケルソン干渉計４２に対物レ
ンズ４３を組み込んで一体化し、図示しない面発光体か
らの光をカメラレンズ４１で取り込むようにしたもので
ある。

第９図はマイケルソン干渉計を使用した他の実施例を示
し、第８図における対物レンズ４３の代わりにカセグレ
イン光学計４５を使用した点か異なるのみで、他の構成
は同じである。

第１０図は望遠鏡とマイケルソン干渉計を組み合わせた
他の実施例を示す図である。

本実施例においては望遠鏡５１により面発光体Ｓからの
光を取込み、ピンホール位置にフラウンホーファ回折像
を形成するようにしたものである。

本実施例においては焦点距離が十分大きくなるので、直
進成分を抽出するピンホール径を大きくするか可能であ
る。

なお、上記実施例では回折格子、マイケルソン干渉計を
用いて分光する例について説明したか、この他プリズム
等の分散型分光方式、空間干渉型フーリエ分光方式等を
用いてもよいことは勿論である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ピンホールまたはスリッ
トによりフラウンホーファ回折像の０次成分、あるいは
Ｏ次成分の幅分のスリット像成分を抽出するようにした
ので、同じＦ値の二枚の集光レンズの口径比の違うもの
を用いることにより、試料から取り込む光束径を大きく
し、分光装置への入射光束径を小さくすることにより分
光エネルギを高密度化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のコヒーレント光選択分光方法を説明す
るための図、第２図はフラウンホーファ回折像を説明す
るための図、第３図（Ａ）はピンホールによる回折成分
の反射を説明するための図、第３図（Ｂ）はピンホール
に平面波入射をしたときの説明図、第４図はカセグレイ
ン光学系を用いた本発明の他の実施例を示す図、第５図
はカメラレンズを使用した他の実施例を示す図、第６図
は透過型回折格子を使用した実施例を示す図、第７図、
第８図、第９図、第１Ｏ図はマイケルソン干渉計を用い
た他の実施例を示す図、第１１図、第１２図は従来の分
光装置を説明するための図である。 Ｓ・・・面発光体、ＬＯ・・・レンズ、Ｐ・・・ピンホ
ール板、Ｌｌ、Ｌ２・・・レンズ、Ｇ・・・透過型回折
格子、Ｄ・・・検出器。 第６ 図 （Ａ） 第１ 第２図 第４図 第５図 第１０図 第１１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料からの光を光学系に通してフラウンホーファ
   回折像を形成し、該フラウンホーファ回折像の０次成分
   の一部または全部を、あるいは０次成分と同じ幅のスリ
   ット状成分の一部または全部を抽出し、分光測定するこ
   とを特徴とするコヒーレント光選択分光方法。
2. （２）試料からの光が入射される所定の口径を有する第
   １光学系と、第１光学系によるフラウンホーファ回折像
   の０次成分の一部または全部を、あるいは０次成分と同
   じ幅のスリット状成分の一部または全部を透過させる大
   きさの開口を有するピンホールあるいはスリットと、ピ
   ンホールあるいはスリットを前側焦点とする第２光学系
   と、第２光学系からの平面波が入射される分光器とを備
   え、ピンホールあるいはスリットからの回折光を選択し
   て分光することを特徴とするコヒーレント光選択分光装
   置。
3. （３）請求項２記載の装置において、前記第１光学系は
   受光口径の大きなレンズからなるとともに、第２光学系
   は受光口径の小さなレンズからなり、第１光学系のＦ値
   が第２光学系のＦ値以下であり、第１光学系に入射され
   る試料からの光束を小束の光束に変換し、単位面積当た
   りのエネルギーを大きくして分光することを特徴とする
   コヒーレント光選択分光装置。
4. （４）請求項２記載の装置において、分光器は透過型ま
   たは反射型回折格子を有することを特徴とするコヒーレ
   ント光選択分光装置。
5. （５）請求項２記載の装置において、分光器はマイケル
   ソン干渉計を有することを特徴とするコヒーレント光選
   択分光装置。